分段积分方法在湖泊气候效应模拟中的应用研究

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1、纖目嫩雖论文題目Ｃ外文）Ｓｔｕｄｏｆ－ｏｄｙＡＰｉｅｃｅｗｉｓｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＭｅｔｈ－导师姓名、职称杨毅教授、王澄海教授｜＿＿＿＿＿论文答辩日期２０１８年５月—一本论文受国家自然科学基金项目“基于动态下垫面和Nudging同化技术的高时空分辨率气候场构建研究”（编号：41675098）和国家自然科学基金重点项目“人类活动对气候变化的影响：减少数值模拟不确定性的方法及其应用研究”（编号：41330527）共同资助。分段积分方法在湖泊气候效应模拟

2、中的应用研究摘要湖泊，作为陆面的重要组成部分，由于其湖水的粗糙度、热传导等特征与陆地差异显著，会引起湖-气相互作用，对区域天气气候产生重要影响。鄱阳湖和洞庭湖，是我国最大和第二大的淡水湖，显著地影响着局地的天气和气候。数值模式是研究湖泊区域天气气候效应及机理的有效工具，而耦合了湖泊模块的模式可实现对湖泊水动力过程及湖-气相互作用的准确模拟，故成为研究湖泊气候效应，深入理解其机理的重要手段。然而，现有的湖泊模式对大湖的模拟仍存在较大不确定性，且耦合了湖泊模式的WeatherResearchandF

3、orecasting（WRF/Lake）模式在中国两大淡水湖的适用性有待评估。此外，由于模式和初始场存在误差，长时间的气候模拟会出现“气候漂移”，导致模拟的气候状态存在明显误差，并可能掩盖湖泊气候效应的“真值”。因此，如何减小湖泊气候效应模拟的不确定性，提高模式对湖泊气候效应的模拟性能具有十分重要的科学意义。基于此，本文首先评估WRF/Lake模式在鄱阳湖和洞庭湖区域的适用性，并优化WRF/Lake模式中表征水热力过程及湖-气相互作用的重要参数，以提高其对鄱阳湖和洞庭湖湖-气相互作用的模拟能力。

4、其次，在湖泊气候效应的模拟研究中，引进“分段积分”方法。再次，针对“分段积分”方法，评估将观测或分析资料引进模式模拟过程的两种四维同化方法（格点nudging和谱nudging）提高气候模拟准确性的效果，选择最优的同化方法；同时分析NCEP/FNL、NCEP/R2和ERA-Interim三种资料作为初始场和边界场驱动区域气候模式WRF的模拟差异，选出模拟误差最小的再分析资料，并探讨和验证其“适宜”的截断波长。最后，利用优化后的WRF/Lake模式，结合“分段积分”方法，研究鄱阳湖和洞庭湖的区域气

5、候效应。论文的主要结论如下：（1）WRF模式提供的湖泊参数化方案不适用于鄱阳湖和洞庭湖区域，修改湖泊模块的部分参数能改进WRF模式对两湖湖-气相互作用的模拟。本文选取不同天气背景（冬季有雨、冬季无雨、夏季有雨和夏季无雨）的8个个例，利用WRF/Lake模式设置敏感性试验（不使用湖气耦合参数化方案的试验、使用WRF模式中默认的湖泊参数化方案试验和使用修改部分参数后的湖泊参数化方案试验）对鄱阳湖、洞庭湖区域天气进行模拟。结果表明，WRF/Lake模式对温度、露点温度及降水的模拟效果明显受到天气状态的

6、影响。对冬季有雨个例，不I使用湖气耦合参数化方案比使用该方案的效果更好，说明WRF模式中默认的湖气耦合参数化方案在两湖区域不适用。修改湖水吸收太阳光的比例、衰减系数以及粗糙度后的湖气耦合参数化方案能明显减小冬季有雨个例的模拟误差。尽管修改部分参数后的湖泊参数化方案对其它个例中温度的改进效果不一致，但其能明显减小露点温度的模拟误差。长时间的模拟结果也表明，修改部分参数后的方案比默认的方案模拟效果更好。所以修改部分参数后的WRF/Lake模式更适合应用于鄱阳湖和洞庭湖的天气气候效应的模拟研究。（2）

7、在鄱阳湖和洞庭湖气候效应的理想试验模拟研究中，分段积分方法可有效地提高模式对有湖时的参考态、无湖时的扰动态和湖的效应的模拟精度。本文在湖泊气候效应的模拟研究中，引进“分段积分”方法，并以冬季鄱阳湖和洞庭湖的局地气候效应为研究对象，利用WRF模式进行理想数值模拟试验，检验分段积分方法用于两湖气候效应敏感性试验的可行性和有效性。结果表明：分段积分方法可以有效地减少长时间连续积分造成的误差累积，并且能够明显提高参考态和扰动态的模拟精度，进而提高变化场的模拟精度。这表明分段积分方法应用于鄱阳湖和洞庭湖气

8、候效应的模拟研究中以提高模式对湖泊气候效应的模拟性能是有效的。（3）格点nudging和谱nudging都能有效地抑制长时间气候模拟出现的“气候漂移”，但谱nudging可明显的改善降水的模拟效果，因此谱nudging更适合用于分段积分方法以协调地将分析场引进模式模拟过程。在分段积分方法中，可采用牛顿张弛逼近四维同化方法（nudging）协调地将观测资料或者分析场引进模式模拟过程中。本文多组试验的模拟结果表明：传统连续积分试验模拟的降水落区偏差较大，格点nudging和谱nudging都能有效的